“日盲”紫外ICCD的信噪比

改进现有系统 ,提高 ICCD 的探测能力 。 一般来说 ,当 ICCD 用于微光夜视等场合时 要求增益较低 , 单级 MCP 已经能满足要求 。这 时光电子通过 MCP 倍增后其电子分布将不会超 过 CCD 单位像素面积 , 可以通过等效电子计数 法 对 ICCD 信噪比进行分析 、 计算 。而对于 “日 盲” 紫外微弱信号探测 , 信号十分微弱 , 只有通过 级联 MCP 提高增益才能实现有效的目标探测 。 这时 ,单光电子通过倍增后大量倍增电子会以不 同的表面角度及渡越时间在 MCP 出口处逸出 , 其响应将不可避免地在时间和空间域上扩散 。电 子在 MCP 中的渡越时间远远小于 ICCD 的积分 时间 ,所以时间域的扩散可以忽略 ,而空间上扩散 将对 ICCD 的信噪比产生重大的影响 。根据对系 统成像原理的分析 ,CCD 像面上的图像可以认为 是一系列光电子冲激响应在像面的叠加 。在下面 的分析中 , 把 ICCD 成像系统认为是线性时不变 系统 ,单光电子的扩散在像面的分布视为系统冲 激响应 。 设入射到 ICCD 光电阴极上单位时间内的光 子数为 N in , 光电阴极的量子效率 ( Q E) 为 η, MCP 的开口面积比为 τ, 光电阴极在单位时间内暗电 子发射数为 N dark , 这样进入 MCP 光电子总数为 N total = ( N inη+ N dark )τ 。 N in 与 N dark 相互独立 , 均 服从泊松分布 , 因此 N total 服从泊松分布 。由前面 的假设 , 入射光子图像可以用一系列单位冲激响 应表示 :
收稿日期 :2008211219 ; 修订日期 :2008212210. 基金项目 : 吉林省科技发展基金资助项目 ( No . 20080516) ; 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新工 程资助项目
第 11 期
周 跃 ,等 “ : 日盲” 紫外 ICCD 的信噪比
CD 的信噪比将是本文所关注的重点 。
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由上面的分析可知 , ICCD 是一个复杂的光 电成像系统 ,在进行光电转换的各个环节均会引 入不同程度的噪声 。其主要的噪声源有 : ( 1) 信号 内在噪声 ,也称为输入噪声或光子噪声 ,指光信号 辐射过程中出现的光量子随机起伏 ; ( 2) 暗电子发 射噪声 ,由于温度的影响及材料本身的性质 ,即使 在无光照的情况下光电阴极也会有暗电子逸出 ; ( 3) 读出噪声 ,指从可见光 CCD 读出信号 、 量化过 程中引入的噪声 ,如产生2复合噪声 、 复位噪声等 。 此外光锥与 CCD 的配合工艺等因素也会引入不 同程度的噪声 。在 ICCD 系统中 ,MCP 的电子增 益倍数很高 , 单级在 103 ～ 104 之间 , 而用于 “日 盲” 成像探测的 ICCD 多采用两级 V 型结构 , 增 益高达 106 。在 这 样 高 的 增 益 作 用 下 , 进 入 到 MCP 之前引入的噪声对信号的影响将是主要因 素 ,而其它噪声的影响则可以忽略不计 。
光电子冲激响应的方法 ,较传统间接分析的方法更为简单适用 。分析了增益对 SBUV2ICCD 信噪比的影响 ,测量了辐照 度在 10. 3～810. 6 p W/ cm2 内变化时 SBUV2ICCD 的信噪比 。实验结果表明 , 该模型的标准差为 0. 78 , 可用于 SBUV2
ICCD 的性能分析 。
“日盲” 紫外 ICCD 的信噪比
周 跃1 ,2 ,闫 丰1 ,谷勇强1 ,2 ,邓博斯3 ,隋永新1 ,杨怀江1
( 1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室 ,吉林 长春 130033 ; 2. 中国科学院 研究生院 ,北京 100039 ;3. 吉林大学 电子科学与工程学院 ,吉林 长春 130012)
ICCD 相机应用背景的特殊性使对它的研究
电场的作用下光电子进入 MCP 进行倍增 , 然后 聚焦到荧光屏激发出可见光 , 通过光纤光锥将图 像耦合到可见光 CCD 上 , 最后由电子线路读出 , 完成从入射光到电子图像的转换 。
图 1 ICCD 结构示意图
Fig. 1 Const ruction of ICCD
ICCD 和 ICCD ,统称为 ICCD 。
3 ICCD 的信噪比
3. 1 ICCD 信噪比的定义
2 ICCD 的噪声分析
ICCD 的典型结构 [ 728 ] 如图 1 所示 , 主要由入 射窗 、 光电阴极 、 微通道板 ( MCP ) 、 荧光屏 、 耦合 光纤 、 可见光 CCD 6 个部分组成 。ICCD 基本工 作原理为 : 从入射窗入射的光子照射到光电阴极
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上 ,按一定的量子转换效率转化为光电子 ,在加速
1 Hale Waihona Puke Baidu引 言
“日盲” 紫外增强型电荷耦合装置 ( SBU V2IC2 CD) 作为 ICCD 相机的一种 , 主要利用 “太阳光谱 盲区” 的紫外波段 ( 220 ～ 280 nm ) 来进行极微弱 信号探测 , 具有增益高 、 动态范围大 、 无需致冷等 优点 , 在战略国防 、 电晕探测 、 森林火灾监测等领 域有着广泛的应用前景 。由于大气对 “日盲” 紫外 波段辐射衰减强烈 , 信号极其微弱 ( 一般在 nW 级) ,要进行有效的信号探测 , ICCD 的增益必须 较高 。在这种情形下 , 系统噪声将对图像产生严 重的干扰 , 因此需要对 ICCD 的噪声进行详细的 分析 。信噪比是 ICCD 噪声特性的重要参数 , 对 其进行详尽的分析建模 ,对评估 ICCD 系统性能 , 提高 ICCD 探测概率等有重要的意义 。
本文首先简要分析了 SBUV2ICCD 的噪声来 源及特点 , 然后将 ICCD 作为一个线性时不变系 统 ,利用概率论及傅里叶变换的相关理论将单光 电子冲激响应引入到 SBU V2ICCD 的信噪比分析 中 ,推导出信噪比的模型 ,并设计实验对其进行了 比较分析 。该分析结果同样适合于工作于其它谱 段和增益设置较高的 ICCD , 因此不区分 SBUV2
为分析上述噪声对系统的影响 , 引入 ICCD 信噪比的概念 。信噪比是一个重要的系统性能参 量 。对系统进行信噪比评估 , 建立信噪比模型可 以完成成像系统的性能评价 。从本质上对影响信 噪比的因素进行定量分析 , 有助于系统开发人员
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光学 精密工程
第 17 卷
很少公开发表 。虽然国内外在 ICCD 相机的信噪 比分析方面开展了一些工作
[ 122 ]
,但其应用背景限
于微光夜视 、 天文观测等信号稍强 ( mW 级) ,增益 相对较小的情形 , 其信噪比可以采用等效电子计 数法[ 3 ] 进行计算 。但当相机应用于 “日盲” 紫外微 弱信号探测领域时 ,ICCD 的增益一般都要求在 5 × 10 倍以上 , 高增益导致像面的单光子响应不 可避免地扩散 , 这种情况下如何计算 SBU V2IC2
( 1 . S t ate Key L aborator y of A p p l ie d O ptics , Chan gchun I nstit ute of O p tics , Fi ne M echanics an d Ph ysics , Chi nese A ca dem y of S ciences , Chan gchun 130033 , Chi na;
关 键 词 : 紫外 ICCD ; 信噪比 ; 光电冲激响应 中图分类号 : TN386. 5 ; TN23 文献标识码 :A
SNR of solar blind ultraviolet ICCD
ZHOU Yue1 ,2 , YAN Feng1 , GU Yo ng2qiang1 ,2 ,D EN G Bo2si 3 , SU I Yo ng2xin1 , YAN G Huai2jiang1
2 . Gra d uate U ni versi t y of Chi nese A ca dem y of S ciences , B ei j i n g 100039 , Chi na; 3 . Col le ge of Elect ronic S cience an d En gi neeri n g , J i l i n U ni vericit y , Chan gchun 130012 , Chi na) Abstract : The noise so urce and characteristics of a Solar Blind Ult raviolet Intensified Charge Co upled Device ( SBU V2ICCD) are analyzed. A s t he single P2E (p hoto2elect ro nic) respo nse can be diff used into neighboring pixel s in CCD when t he system gain is to be set a higher value in working co nditio ns ,t his paper takes t he SBUV2ICCD as a liner and shif t invariant ,and import s t he P2E p ul se respo nse into t he calculatio n of SN R ,t hen t he Fo urier t ransform is used to deduced a SN R model . This model uses a 2D Gaussian f unctio n to fit t he single P2E p ul se respo nse of t he SBUV2ICCD ,and it is simpler t han t ho se of t raditio nal met hods. The effect of t he gain o n t he SN R of SBUV2ICCD is analyzed and t he SN R of t he SBUV2ICCD is measured when t he irradiance is between 10. 3 p W/ cm2 and 810. 6 p W/ cm2 . The re2 sult s show t hat t he RMS of t he module is 0. 78 ,which can be used in t he analysis of perfo rmance of SBUV2ICCD. Key words : ult raviolet Intensified Charge Co upled Device ( ICCD) ; Signal to Noise Ratio ( SN R) ; p ho2 to2elect ro nic p ul se respo nse
摘要 : 分析了 “日盲” 紫外增强型电荷耦合装置 ( SBUV2ICCD) 噪声的来源及特点 。考虑 SBUV2ICCD 工作时系统增益高 , 单光电子的响应会扩散到 CCD 邻近像素中去 , 故将 SBUV2ICCD 作为线性时不变系统 , 引入单光电子冲激响应到
SBUV2ICCD 信噪比计算中 ,利用傅里叶变换原理推导出其信噪比模型 。模型采用了二维高斯函数拟合 SBUV2ICCD 单
第 17 卷 第 11 期
2009 年 11 月
Optics and Precision Engineering Nov. 2009
光学 精密工程
Vol. 17 No . 11
文章编号 10042924X ( 2009) 1122712207